* 隔离电压:1414V;
* 信号带宽:直流到大于1MHz。
从上面可以看出,和普通光耦一样,线性光耦真正隔离的是电流,要想真正隔离电压,需要在输出和输出处增加运算放大器等辅助电路。下面对HCNR200/201的典型电路进行分析,对电路中如何实现反馈以及电流-电压、电压-电流转换进行推导与说明。
3. 典型电路分析
Agilent公司的HCNR200/201的手册上给出了多种实用电路,其中较为典型的一种如下图所示:
图2
设输入端电压为Vin,输出端电压为Vout,光耦保证的两个电流传递系数分别为K1、K2,显然,,和之间的关系取决于和之间的关系。
将前级运放的电路提出来看,如下图所示:
设运放负端的电压为,运放输出端的电压为,在运放不饱和的情况下二者满足下面的关系:
Vo=Voo-GVi (1)
其中是在运放输入差模为0时的输出电压,G为运放的增益,一般比较大。
忽略运放负端的输入电流,可以认为通过R1的电流为IP1,根据R1的欧姆定律得:
通过R3两端的电流为IF,根据欧姆定律得:
其中,为光耦2脚的电压,考虑到LED导通时的电压()基本不变,这里的作为常数对待。
根据光耦的特性,即
K1=IP1/IF (4)
将和的表达式代入上式,可得:
上式经变形可得到:
将的表达式代入(3)式可得:
考虑到G特别大,则可以做以下近似:
这样,输出与输入电压的关系如下:
可见,在上述电路中,输出和输入成正比,并且比例系数只由K3和R1、R2确定。一般选R1=R2,达到只隔离不放大的目的。
4. 辅助电路与参数确定
上面的推导都是假定所有电路都是工作在线性范围内的,要想做到这一点需要对运放进行合理选型,并且确定电阻的阻值。
4.1 运放选型
运放可以是单电源供电或正负电源供电,上面给出的是单电源供电的例子。为了能使输入范围能够从0到VCC,需要运放能够满摆幅工作,另外,运放的工作速度、压摆率不会影响整个电路的性能。TI公司的LMV321单运放电路能够满足以上要求,可以作为HCNR200/201的外围电路。
4.2 阻值确定
电阻的选型需要考虑运放的线性范围和线性光耦的最大工作电流IFmax。K1已知的情况下,IFmax又确定了IPD1的最大值IPD1max,这样,由于Vo的范围最小可以为0,这样,由于
考虑到IFmax大有利于能量的传输,这样,一般取
另外,由于工作在深度负反馈状态的运放满足虚短特性,因此,考虑IPD1的限制,
这样,
R2的确定可以根据所需要的放大倍数确定,例如如果不需要方法,只需将R2=R1即可。
另外由于光耦会产生一些高频的噪声,通常在R2处并联电容,构成低通滤波器,具体电容的值由输入频率以及噪声频率确定。
4.3 参数确定实例
假设确定Vcc=5V,输入在0-4V之间,输出等于输入,采用LMV321运放芯片以及上面电路,下面给出参数确定的过程。
* 确定IFmax:HCNR200/201的手册上推荐器件工作的25mA左右;
* 确定R3:R3=5V/25mA=200;
* 确定R1:;
* 确定R2:R2=R1=32K。
5. 总结
本文给出了线性光耦的简单介绍以及电路设计、参数选择等使用中的注意事项与参考设计,并对电路的设计方法给出相应的推导与解释,供广大电子工程师参考。
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在通讯电路设计中,光耦是经常见到的;
TLP521-1可以用到9600~19200;
限流电阻是1K;上拉电阻是1K;
6N137可以到10M;但是6N137需要按照datasheet来接它的外部电路才能达到10M的速度;
6N137的内部和典型电路
6N137的内部结构
还有一种特殊的光耦,内部有2个发光管
那么,DI+和DI-互换就无所谓了;
常见之高速光藕型号
常见之高速光藕型号[zt]
经查大量资料后,总结出目前市场上常见之高速光藕型号供大家选择:
100K bit/S:
6N138、6N139、PS8703
1M bit/S:
6N135、6N136、CNW135、CNW136、PS8601、PS8602、PS8701、PS9613、PS9713、CNW4502、HCPL-2503、HCPL-4502、HCPL-2530(双路)、HCPL-2531(双路)
10M bit/S:
6N137、PS9614、PS9714、PS9611、PS9715、HCPL-2601、HCPL-2611、HCPL-2630(双路)、HCPL-2631(双路)
另外,台湾COSMO公司的KP7010在RL选值为300欧左右时,我根据其数据手册所载数值计算,速率可达100Kbit/S,且为6脚封装,比同级的6N138、6N139小巧,价格也较低。
CTR的定义
光耦合器的增益被称为晶体管输出器件的电流传输比 (CTR),其定义是光电晶体管集电极电流与LED正向电流的比率(ICE/IF)。光电晶体管集电极电流与VCE有关,即集电极和发射极之间的电压。
可控硅型光耦
还有一种光耦是可控硅型光耦。
例如:moc3063、IL420;
它们的主要指标是负载能力;
例如:moc3063的负载能力是100mA;IL420是300mA;
光耦的部分型号
产品名称 型号规格 性能说明
光电耦合
4N25 晶体管输出
4N25MC 晶体管输出
4N26 晶体管输出
4N27 晶体管输出
4N28 晶体管输出
4N29 达林顿输出
4N30 达林顿输出
4N31 达林顿输出
4N32 达林顿输出
4N33 达林顿输出
4N33MC 达林顿输出
4N35 达林顿输出
4N36 晶体管输出
4N37 晶体管输出
4N38 晶体管输出
4N39 可控硅输出
6N135 高速光耦晶体管输出
6N136 高速光耦晶体管输出
6N137 高速光耦晶体管输出
6N138 达林顿输出
6N139 达林顿输出
MOC3020 可控硅驱动输出
MOC3021 可控硅驱动输出
MOC3023 可控硅驱动输出
MOC3030 可控硅驱动输出
MOC3040 过零触发可控硅输出
MOC3041 过零触发可控硅输出
MOC3061 过零触发可控硅输出
MOC3081 过零触发可控硅输出
TLP521-1 单光耦
TLP521-2 双光耦
TLP521-4 四光耦
TLP621 四光耦
TIL113 达林顿输出
TIL117 TTL逻辑输出
PC814 单光耦
PC817 单光耦
H11A2 晶体管输出
H11D1 高压晶体管输出
H11G2 电阻达林顿输出
光耦合器的技术特性与应用
1.概述 光耦合器(optical coupler,英文缩写为OC)亦称光电隔离器,简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,所以,它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件,因而具有很强的共模抑制能力。所以,它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件,可以大大增加计算机工作的可靠性。 光耦合器的主要优点是:信号单向传输,输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,工作稳定,无触点,使用寿命长,传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件,现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中,利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路,通过调节控制端电流来改变占空比,达到精密稳压目的。 十几年来,新型光耦合器不断涌现,满足了各种光控制的要求。其应用范围已扩展到计测仪器,精密仪器,工业用电子仪器,计算机及其外部设备、通信机、信号机和道路情报系统,电力机械等领域。这里侧重介绍该器件的工作特性,驱动和输出电路及部分实际应用电路。 近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号,使其应用领域大为拓宽。下面分别介绍光耦合器的工作原理及检测方法。 2. 光耦合器的性能及类型 |